降落伞数值模拟中的计算流体力学研究进展简介

文章介绍了降落伞数值模拟的基本思想。着重对降落伞数值模拟中的计算流体力学研究进展进行了综述 ,还对近年来的降落伞数值模拟应用进行了总结 ,突出了近两年来的发展变化。最后提出了降落伞流场的数值模拟尚需改进的若干方面     

基于LS-DYNA软件的降落伞充气过程仿真研究

文章基于LS-DYNA软件对降落伞的充气过程进行了数值模拟,得到了降落伞的充气时间和投影面积变化的规律,验证了使用LS-DYNA软件数值模拟降落伞充气过程的可行性,提出了一种新的数值模拟降落伞充气过程的分析方法。     

基于ALE方法的开缝降落伞充气过程研究

为了解某型空投救生伞(平面圆开缝)的开伞特性,文章对其充气过程进行了数值模拟研究。建立了降落伞结构以及流场的计算力学和数值仿真模型,并利用任意拉格朗日-欧拉耦合方法计算得到了流固耦合作用下有缝降落伞的伞衣投影面积和充气过载的数值结果;同时给出了伞衣外形的三维变化结果及流场衍变特性。仿真结果验证了任意拉格朗日-欧拉有限元方法对于开缝型降落伞充气过程数值计算的收敛性和有效性,可用于降落伞试验的模拟和技术验证。     

基于ALE方法的群伞稳降阶段的数值模拟

随着计算机技术和数值模拟的兴起,精确描绘降落伞力学特性成为可能。文章采用任意拉格朗日-欧拉法对美国“阿波罗”飞船降落伞回收系统的稳降阶段进行了数值模拟。通过建立结构动力学与计算流体力学的耦合模型,研究了3具环帆伞的流固耦合过程,并模拟了降落伞的外形变化和伞衣内外流场的变化。流固耦合计算结果表明,各伞最终稳定在20＆#176;左右,环帆伞的群伞效率因数约为0.93,比C-9伞大。文章的分析结果对中国探月工程回收系统的主伞设计具有参考意义。     

轴对称降落伞稳定下降阶段的流场特性

文章根据降落伞的特点，通过3点假设（伞衣的薄膜假设、降落伞的轴对称假设和流场的定常假设），将三维复杂流动问题，转化成二维轴对称问题，以节约计算时间。然后，建立轴对称降落伞的流体力学计算模型，利用数值模拟手段，求解RNG（Renormalization Group）k-epsilon湍流模型下的N-S方程组，获得与有关单位试验相吻合的计算结果。分析发现带顶孔的轴对称降落伞绕流和亚临界状态下带中心孔的圆球绕流，在尾流区拓扑结构上几乎完全一致。结果表明建立的轴对称降落伞模型，能够揭示降落伞流场的本质特性，为进一步研究降落伞流场的流动机理和流固耦合问题打下基础。     

集成火星进入弹道的开伞过程动力学特性研究

针对火星探测任务设计阶段的需求,提出集成再入弹道、开伞过程仿真一体化设计方法。首先,利用质点动力学模型,计算质点弹道,进行探测器进入过程的飞行轨迹仿真,获得开伞初始状态。其次,基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法,建立开伞过程的流固耦合（FSI）动力学模型,进行典型工况开伞过程数值模拟,分析开伞动压和马赫数对降落伞充气过程的影响。数值模拟开伞过程伞衣几何外形变化和降落伞的流固耦合动力学行为,得到开伞过载变化曲线、伞衣阻力面积变化等典型特征参数。计算结果表明,降落伞开伞动力学的数值仿真方法为火星再入、减速和着陆（EDL）过程的概念设计提供了一定的参考依据。     

基于木星大气环境的降落伞系统气动特性研究

木星探测是未来行星探测的重要发展方向,而降落伞是进入木星大气探测必不可少的气动减速装置。文章基于“伽利略号”探测任务,设计了满足未来木星探测需求的降落伞系统简化模型,并针对该降落伞系统进行了数值模拟,研究了木星大气和地球风洞实验环境中不同来流马赫数下降落伞系统的复杂流动现象及气动力变化规律。在木星大气环境中,降落伞的阻力系数和横向力系数大小以及横向力系数波动幅度均高于风洞试验环境,阻力系数波动幅度均低于风洞实验环境。此外,还研究了木星大气环境中不同来流攻角下降落伞系统的气动特性。研究表明,木星大气环境中降落伞系统气动特性与风洞实验结果有差异,因此未来在设计用于木星探测的降落伞系统时,应考虑由于木星大气环境对降落伞系统气动特性的影响。     

盘–缝–带伞超声速充气过程仿真研究

随着火星探测着陆研究的发展,对其主要的减速方式——盘–缝–带伞应用的研究也日趋火热。而在火星探测中,对伞衣充气过程的分析又是最为复杂的难题之一。文章介绍了常用于降落伞流场求解的数值模拟方法,并对它们的利弊做了简要的描述。文章使用守恒元/解元方法对盘–缝–带伞在超声速条件下,从收束状态开始的充气过程进行了数值模拟。首先对前置体进行单独仿真,之后在不同的马赫数下通过对降落伞系统的整体仿真完成对降落伞开伞过程的模拟。仿真数据与实验数据进行对比,获得了较为一致的结果,验证了方法的可行性。另外,文章对两种工作状态下的充气过程进行了对比,分析了盘–缝–带伞在两者中充气过程的异同,以及前置体阻力贡献随着马赫数的变化。最后通过开伞云图对充气过程中的开伞失败现象进行了分析。研究结果可为火星探测提供参考。     

基于控制体积方法的降落伞初始充气模型

考虑降落伞初始充气过程中降落伞变形情况与受力特性,建立了基于控制体积方法的初始充气模型。模型从理想气体状态方程出发,通过伞衣内部气体质量求解伞衣内部各个部分所受压力,将压力结果代入基于凯恩方法建立的伞衣结构模型中,即可得到对应的伞形;模型在计算时能够考虑伞衣结构透气的影响。数值计算的结果表明,模型计算得到的初始充气过程伞衣形状变化与试验吻合较好,初始充气时间与经验公式基本一致。该方法还可用于对降落伞主充气阶段的数值模拟。     

轴对称降落伞稳定下降阶段的流场特性

文章根据降落伞的特点,通过3点假设(伞衣的薄膜假设、降落伞的轴对称假设和流场的定常 假设),将三维复杂流动问题,转化成二维轴对称问题,以节约计算时间。然后,建立轴对称降落伞的流体力 学计算模型,利用数值模拟手段,求解RNG(Renormalization Group)k-epsilon湍流模型下的N—S方程组,获 得与有关单位试验相吻合的计算结果。分析发现带顶孔的轴对称降落伞绕流和亚临界状态下带中心孔的 圆球绕流,在尾流区拓扑结构上几乎完全一致。结果表明建立的轴对称降落伞模型,能够揭示降落伞流场 的本质特性,为进一步研究降落伞流场的流动机理和流固耦合问题打下基础。     

不同攻角下超声速降落伞伞绳的影响研究

文章基于一种简易"浸入边界技术"与流固耦合方法对超声速来流条件下的三维降落伞系统进行了数值模拟。研究中,降落伞系统包括前体和伞体,两者通过伞绳连接。文章的研究目的是分析不同攻角下降落伞伞绳对于降落伞系统周围复杂非定常流场的影响,以及对降落伞性能表现的影响。结果表明:在较小的前体和伞体距离下,由于攻角的影响,非定常流场结构呈现上下不对称,并且上下伞绳激波形成时间不同步。随着攻角的增加,上下面的伞绳激波形成时间出现推迟,并且有变弱的趋势。另外,由于攻角与伞绳的综合影响,伞内表面的时间平均压力分布在5o攻角时最小,而在10o攻角时最大,阻力系数却随着攻角的增加而增加。     

降落伞稳定下降阶段流场的数值模拟

随着计算流体力学(CFD)和结构有限元分析法的兴起，精确描绘降落伞力学特性成为可能。文中采用有限体积法求解不可压流的N—S方程，采用Spalan-Allmaras(SA)模型作为湍流模型，以模拟降落伞稳定下降阶段时的流场特性。流场的计算结果与实验数据基本一致，这表明该方法对降落伞的分析是有效并且可行的。     

降落伞强度空投试验模型的气动–动力学特性仿真

降落伞强度空投试验模型的气动-动力学特性仿真研究对空投试验方案设计和降落伞减速系统性能的考核至关重要。文章运用数值模拟手段分析了空投试验模型的气动特性和气动稳定性,探讨了降落伞开伞前空投试验模型的弹道轨迹和运动姿态的变化,并针对不同飞行攻角下空速管动压测试值与实际开伞动压存在相对偏差所造成的影响进行了分析。结果表明:空投试验模型的轴向力系数在攻角大于4°时有所下降。法向力系数和俯仰力矩系数随着飞行攻角增加以近似线性的方式增大,压心位置后移,气动稳定性良好。在模型投放后至降落伞开伞前的过程中,随着高度下降空投试验模型的速度以近似线性的形式增大,且俯仰角和攻角均存在周期摆动现象。由于飞行攻角的影响,空速管测得的动压值与开伞实际动压存在相对偏差,但相对偏差范围不会超过14%。研究结果可以为降落伞强度空投试验的方案设计提供参考。     

面向降落伞高空开伞的充气式钝锥阻力体气动构型仿真研究

针对钝锥阻力体航天器降落伞高空开伞试验采用低成本小直径火箭外形包络受限问题,提出在箭体上安装柔性充气环和充气裙锥两种变构型方案,用于模拟降落伞开伞过程真实流场环境。采用三维雷诺时均N-S（Reynolds Averaged Navier-Stokes, RANS）方程方法分别对某钝锥构型返回舱、某小型火箭以及火箭尾部加装充气环和充气锥裙4种构型进行流场数值模拟,并对比各种构型的尾流流场特征。计算结果表明,箭体上加装充气环和充气裙锥都可从一定程度上改善尾流特性;相比之下,采用充气裙锥方案更接近返回舱真实尾流流场。     

降落伞网格剖分技术研究

降落伞几何建模和网格剖分是降落伞流固耦合数值仿真的基础。文章建立了包括伞衣主体、径向带、伞顶孔和底边加强带的降落伞精细几何模型,并基于软件开发平台VS2010使用C++语言设计并实现了针对该几何模型的网格自动剖分器。该剖分器采用约束Delaunay剖分算法,具有良好的理论基础、生成的网格质量(quality)高,满足降落伞数值仿真对网格质量的要求;并提供接口可将顶点和网格信息导入到商用软件中做进一步求解分析。实验证明,使用文中网格剖分器生成的网格,不但网格单元质量优于使用商用软件生成的网格,而且在网格单元质量相似的情况下,网格单元数量相对较少。同时,该网格在数值仿真中表现良好。     

大气密度对降落伞充气性能的影响

尽管火星表面大气非常稀薄，但降落伞仍是火星探测着陆系统中一种重要的减速装置。文章建立了一个降落伞的充气动力学模型，并根据此模型研究了大气密度对降落伞充气性能的影响。结果表明：降落伞的充气时间和充气距离是随大气密度的减小而增大，同时，随着大气密度的减小，降落伞开始张开的速度变得非常缓慢。     

超声速透气降落伞系统的气动干扰数值模拟研究

盘–缝–带伞是目前主流的火星用超声速降落伞,然而由于其阻力性能的限制,新一代的火星探测任务已经开始考虑采用环帆伞来获得足够的阻力性能。同时,在超声速条件下,由于稳定性的需要,透气性对降落伞系统减速性能的影响研究日益受到重视。文章基于计算流体力学方法对不同孔隙率的降落伞系统模型进行数值模拟,旨在分析开缝位置及孔隙率对环帆伞气动性能的影响机理。结果表明:在马赫数为2的大拖拽距离比条件下,无缝环帆伞系统流场与盘–缝–带伞有较大区别,主要表现在伞前激波的形成过程及前体尾流和伞前激波的作用阶段上。此外,开缝产生的孔隙率对环帆伞的减速性能有较大影响。开缝伞形的阻力性能劣于无缝伞形,但稳定性能显著高于无缝伞形。而前缝伞形的稳定性能及阻力性能均优于后缝伞形。该结果对超声速降落伞的伞型结构透气性参数设计有一定的参考价值。     

折叠降落伞展开过程研究

为更好地从机理上研究折叠降落伞的展开过程,文章首先采用基于初始矩阵修正的直接折叠法建立了降落伞的折叠模型,并对该模型使用任意拉格朗日-欧拉法模拟了无限质量情况下不同风速、不同引导伞作用下开伞情况。计算结果证明了引导伞经验设计的有效性,但同时发现个别情况下经验设计过于粗糙,容易导致出现不良充气状态。文章的研究内容对降落伞设计、优化具有指导意义。     

面向航天回收装备的大变形柔性传感器研究与应用（二）——大应变传感器

在极端环境条件下，受温度、压力、速度等因素影响，具有柔性和大变形特征的航空航天装备极易发生故障，因此研发相应的大变形柔性传感器以对其服役状态下的应变、曲率、气动外形等参数进行实时监测面临巨大的挑战。文章面向具有柔性和大变形特征的航天回收降落伞，设计了大变形柔性应变传感器（简称大应变传感器），研究结果表明该大应变传感器在高达35%的应变范围内保持了优异的线性度（拟合优度>0.999）。文章还进一步探索传感器在降落伞的伞衣、伞绳、径向带等部位的集成方案并进行系统性测试，通过航天降落伞地面高塔投放试验和风洞试验的示范应用，有效地获得降落伞的变形状态信息，这对降落伞的结构设计优化与实时控制具有重要意义。     

降落伞的计算机仿真研究

降落伞是一种应用广泛的气动力减速装置，其试验费用在整个开发、研制费用中，占有很大的比例。如何节省这笔费用，运用计算机仿真技术无疑是个最佳办法和途径。文章总结了降落伞仿真的一些情况和降落伞仿真所遇到的关键技术，并提出了在降落伞仿真中所面临的主要问题及解决这些问题的一般方法，可为降落伞研究提供参考。